步进电机结构及原理图及使用说明

一、步进电机概述

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的单步误差和累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

这里，我们以广泛应用的感应子式步进电机为例，叙述其基本工作原理。希望能对广大用户在选型、使用及整机改进时有所帮助。

二、永磁感应子式步进电机工作原理

(一)反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示)，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，(A'就是A，齿5就是齿1)下面是定转子的展开图：

2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力以下均同)。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比

其磁通量Ф=Br*S

Br为磁密，S为导磁面积

F与L*D*Br成正比

L为铁芯有效长度，D为转子直径

Br=N·I/R

N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)

因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

续步进电机原理及使用说明(一)

(二)永磁感应子式步进电机的工作原理。

下面以二、四相感应子式步进电机为例子：

1、结构：

电机定子有四个励磁绕阻，转子均匀分布着很多小齿，并加有永磁体使转子轴向分布若干对N-S齿极，且N、S齿极互相错开1/2τ(τ为相邻两转子齿轴线间的距离，即齿距)。定转子齿几何轴线依次向左错开：0、1/4τ、2/4τ、3/4τ。以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图(见图1)。

2、四相电机旋转

以四相单四拍即A—B—C—D—A通电方式，转子不受外力为例。

第一拍：当A相通正向电流(如图示电流方向)，B、C、D相不通电时，有工作原理图可看出，定子A极产生S极磁场，由于磁场作用，转子N1齿将与定子A极轴线与相对齐，而N2齿与B极，N3齿与C极，N4齿与D极，N5齿与A极的轴线以次向右错开1/4τ, 2/4τ, 3/4τ,1τ。(如图1)

第二拍：当B相通正向电流，A、C、D相不通电时，N2齿将于B极轴线相对齐，此时转子向右转过1/4τ，而N3齿与C极，N4齿与D极，N5齿与A极轴线以次向右错开1/4τ, 2/4τ, 3/4τ。

同理，第三拍C相通正向电流，转子又向右转过1/4τ。第四拍D相通正向电流，D与N4相对齐，转子再次向右转过1/4τ,N5齿与A极轴线向右错开1/4τ。

当再到A相通正向电流时，N5齿与A极轴线相对齐，至此转子转过一个齿距τ，如果不断地按A-B-C-D-A…通电，电机就按每步(每脉冲)1/4τ向右连续旋转。如按A-D-C-B-A……通电，电机则反转。

如果通的不是正向电流而是反向电流，定子产生的不是S极而是N极，每相通电时对应的S齿与其轴线向对齐，旋转的方向不变。

3、两相电机旋转

不难发现：当A通正向电流时N1齿与A极轴线相对齐，S3齿与C极轴线向对齐，与C相通反相电流的效果一样。A相通反向电流和C相通正向电流的效果一样。同样B相和D相的关系与A和C的关系一样。

在A相通正向电流时同时在C相通反向电流，在C相通正向电流时同时在A相通反相电流，在通B、D相电流时也一样。这样的通电方式显然比四相单四拍通电时励磁绕组的利用率高，电机产生的力矩大。用A表示A相通正相电流， A+表示A相通反向电流，B表示B相通正向电流，B+表示B相通反向电流。四相单四拍A—B—C—D—A通电方式就可以用A—B—A+—B+—A单四拍的通电方式。这种只有A，B二种励磁绕组通电方式称二相驱动，这样的电机称二相电机。